* 太阳系示意图(不考虑比例)
众所周知的是,太阳系内部的旋转比现代物理学定律预测的要慢得多,而一项新的研究可能有助于解释其中的原因。
一个由气体和尘埃组成的薄圆盘——被称为吸积盘,正围绕着年轻的太阳旋转。这些圆盘是行星形成的地方,含有剩余的恒星形成物质,只占恒星质量的一小部分。根据角动量守恒定律,当物质缓慢地向内向恒星旋转时,圆盘的内部应该旋转得更快,就像花样滑冰运动员手臂靠近身体时旋转得更快一样。
然而,之前的观测表明,太阳系内部——也就是太阳系从太阳延伸到小行星带,包括类地行星的区域——并不像角动量守恒定律预测的那样旋转得快。通过对虚拟吸积盘的新模拟,加州理工学院的科学家们展示了吸积盘中的粒子是如何相互作用的。
研究人员在一份声明中写道:“角动量与速度乘以半径成正比,角动量守恒定律表明,系统中的角动量保持不变。所以,如果溜冰者的半径变小,因为他们把手臂收了进来,那么保持角动量常数的唯一方法就是增加旋转速度。”
那么为什么内部吸积盘的角动量不守恒呢?该声明称,早期的研究表明,吸积盘或磁场区域之间的摩擦产生的湍流可能会减慢下落气体的旋转速度。
“这让我很担心,”加州理工学院应用物理学教授、该研究的合著者保罗·贝兰在声明中说,“人们总是想把自己不理解的现象归咎于宇宙的不规律性。”
为了更好地理解角动量损失,贝兰研究了单个原子、离子和气体在吸积盘中的轨迹,进而研究了粒子在碰撞期间和之后的行为。带电粒子——也就是电子和离子,会同时受到引力和磁场的影响,而中性原子只受到引力的影响。
研究人员使用计算机模型模拟了一个由1000个带电粒子与40000个中性粒子在磁场和重力场中碰撞形成的吸积盘。他们发现,中性原子和数量少得多的带电粒子之间的相互作用导致正电荷离子(或阳离子)向内螺旋移动,而带负电荷的粒子(或电子)向外靠近吸积盘的边缘。与此同时,中性粒子会失去角动量,向中心旋转。
接着,吸积盘就像一个巨大的电池,正极靠近磁盘中心,负极位于磁盘边缘。这些终端产生强大的电流,或物质喷流,从圆盘的两侧射向太空。
贝兰在声明中说:“这个模型有足够多的细节来捕捉所有的基本特征,因为它足够大,足够模拟磁场中围绕恒星运行的万亿万亿个碰撞中性粒子、电子和离子。”
计算机模拟表明,当角动量丢失时,规范角动量——原始普通角动量加上一个附加量的总和是守恒的。
研究人员在声明中解释说:“因为电子是负的,而阳离子是正的,离子向内的运动和电子向外的运动是由碰撞引起的,增加了两者的标准角动量。中性粒子由于与带电粒子碰撞而失去角动量,并向内运动,这就抵消了带电粒子标准角动量的增加。”
(科幻世界 独家编译)
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